气候变暖背景下富营养化湖泊沉积物有机碳来源和迁移转化机制

Lake sediments are important organic carbon pools and play an important role in the global carbon cycle. Under the influence of climate warming and eutrophication, the sedimentary organic carbon pool significantly changed. However, its source, migration and transformation mechanisms are still unclear. In this study, carbon isotope and fatty acid biomarker were used to analyze the source of sedimentary organic carbon in selected hypereutrophic Lake Taihu. The technology of carbon isotopic compositions of individual fatty acid was tried to apply for discriminating the algae and aquatic plants with overlapping effects of fatty acids. The migration and transformation characteristics of algae-derived organic carbon among sediment-water-air interface were investigated. The effects of algae-plant mixed decomposition and temperature sensitivity of sediments on sedimentary carbon behavior were studied, to reveal the mechanisms of migration and transformation of sedimentary organic carbon in eutrophic lake sediments. These observations provide theoretical basis and technical support for further study of lake carbon cycle, environmental evolution and regional carbon budget estimation.

湖泊沉积物是重要的有机碳库，在全球碳循环中扮演重要角色。在气候变暖和富营养化的影响下，沉积物有机碳库发生了显著改变，然而对其来源和迁移转化机制尚缺乏清楚的认识。本课题拟选取超富营养化湖泊太湖为研究对象，运用碳稳定同位素和脂肪酸生物标记法解析沉积物有机碳的来源；探讨脂肪酸单分子体碳同位素技术解决藻类与水生植物脂肪酸指代重叠问题的可行性；考察沉积物中藻源性有机碳在土-水-气界面的迁移转化特征；探讨藻类-植物混合分解以及不同来源性质的沉积物的温度敏感性对沉积物碳行为的影响；揭示富营养化湖泊沉积物中有机碳的迁移转化机制；为深入研究湖泊碳循环、环境演变以及区域碳收支的估算提供理论依据和技术支撑。

气候变暖背景下，富营养化湖泊中藻类快速沉积现象对沉积物来源特性、结构稳定性及其对碳的迁移转化过程、归趋规律的影响尚不清楚。本研究以太湖为例，通过原位调查、室内模拟试验，运用碳稳定同位素和脂肪酸生物标记法解析了沉积物有机碳的来源和结构组成，并利用脂肪酸单分子体碳同位素技术解决了藻类与水生植物脂肪酸指代重叠问题，阐明了沉积物中藻源性有机碳在土-水-气界面的迁移转化特征，揭示了藻类-植物混合分解以及不同来源性质的沉积物的温度敏感性对沉积物碳行为的影响，提出了富营养化湖泊沉积物中有机碳的迁移转化机制。共发表代表性学术论文12篇，申请发明专利3项，授权实用新型专利1项，培养研究生3名，对深入研究湖泊碳循环具有重要意义，对区域碳收支的估算提供理论依据。. （1）运用碳稳定同位素和脂肪酸生物标记法解析了太湖表层水体中颗粒物有机碳的主要来源为藻源性碳，平均贡献率为57.2%，而沉积物中有机物来源为陆源有机物的输入，最大贡献率可达65.4%。碳稳定同位素和脂肪酸生物标记法两种技术可以互相补充，对不同生态类型的富营养化湖泊沉积物有机碳来源进行识别。藻类与水生植物脂肪酸指代重叠问题可以利用脂肪酸单分子体碳同位素技术解决。. （2）阐明了沉积物中藻源性有机碳的输入会导致沉积物中富里酸、胡敏酸和胡敏素结构发生变化，加剧沉积物腐殖化的程度，同时，蓝藻衰亡分解，还会向上覆水体释放大量的营养盐和无机碳，改变了水体中颗粒性有机碳和溶解性有机碳的形态转换，此外，还会进一步向大气中释放温室气体和嗅味物质。. （3）温度和CO2的升高会改变浮游植物-浮游动物之间的碳传递关系，从而影响藻源性有机碳的迁移转化过程。揭示了不同蓝藻生物量-植物残体混合分解之间存在共代谢效应，加速沉积物中有机碳的分解，促进更多的温室气体排放。